基于统一电能质量控制器的配电网潮流控制研究

蒋斌

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213000）

0 引言

统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）是复合型的电能质量治理设备[1-2]，对于无功补偿、电压治理、谐波治理均有较好的效果，在电力系统中有着较多的应用[3]。随着配电网中合环回路的增多，配电网潮流控制越来越受到重视[4-5]，而UPQC中同时存在串联和并联型变流器，其在结构上能够满足对于潮流的控制需求。基于此，本文针对UPQC在配电网潮流控制中的应用进行了研究。

1 工作原理

UPQC系统由多绕组变压器、补偿单元、整流单元以及静态开关四部分组成。除去整流单元，补偿部分可以等效为图1所示的拓扑结构。等效图中的多绕组变压器，原边采用三角形绕组D1，一组副边使用星形绕组Y1，另一组副边采用三角形绕组D2，D2连接于并联变流器的交流侧，Y1中的各相通过串联变流器各桥臂串联输出后连接于负载。串联部分由串联变压器和反并联晶闸管构成，其中反并联晶闸管用于变流器故障情况下输出回路切换。并联控制器由三相两电平变流器构成，交流侧通过并网电抗器与D2连接。串联变流器的各相均由H桥构成，三相直接通过直流侧连接，输出部分再通过变压器串联于线路。

图1 统一电能质量控制器拓扑图

Y1为主功率回路，传输绝大部分的有功功率，D2及串并联变流器部分主要是对串并联两侧的电能质量进行治理。根据其结构特点，对并联部分和串联部分的变流器分别进行分析：并联控制器等效为三相电流源，可以实现无功补偿、电压补偿以及谐波治理的功能；另外，并联变流器还需要负责直流电压的稳定，以支撑串联变流器正常功能的实现。而串联变流器可以等效成三相电压源，通过调节输出电压实现系统电压的调节，从而保证负载在安全电压范围内运行。

晶闸管TA、TB、TC是用来投切串联变流器的，当串联变流器故障或者线路不需要电压调节功能时，晶闸管将处于导通状态，从而实现串联变流器的旁路；当线路需要串联变流器发挥功能时，晶闸管关断，串联变流器正常运行。

UPQC中的串联和并联变流器分别可以用一个三相电压源变流器来替代，等效电路可以表示为图2。

图2 UPQC等效电路拓扑图

2 控制方法

统一电能质量控制器中含有并联和串联两种类型的变流器，这两种变流器通过直流侧相连接，需要有相对应的控制方法。其中并联变流器可独立用于无功补偿、谐波补偿等功能，串联变流器可独立用于电压串联补偿。

UPQC的潮流控制方法主要分为串联变流器的控制方法和并联变流器的控制方法。其中串联电压源的幅值与相角均可调，从而满足线路潮流分布调整的需要，通常有以下4种运行模式：

（1）直接电压注入：设定值为电压幅值和相角，根据设定闭环地产生设定的输出电压。

（2）两端电网的移相调节：设定值为送端和受端电网的相位角，注入一组合适的电压值，使电网送端电压V2与受端电压V1相比，相角产生变化，幅值保持不变。

（3）线路阻抗调节：设定值为线路阻抗值（实数或者复数），串联电压源所注入的补偿电压与线路的电流表现出线性关系，使得串联电压源从线路上可以等效成一个阻抗。

（4）自动潮流控制：设定值为线路传输的有功功率和无功功率值，独立控制传输线路的有功功率和特定点的无功功率，从而达到调节线路潮流的目的。

其中的并联电流源Iq，根据电网或负载情况注入合适的电流大小，电流可从dq坐标系分解来考虑：d轴分量用来稳定直流侧的电压值，给串联变流器部分有效的有功支撑，称为有功电流分量；q轴分量可以提供无功补偿，叫作无功电流分量，可以用来维持并联端节点电压稳定。并联变流器具备以下两种控制方式：

（1）无功功率控制：设定值是吸收或发出的无功功率值，控制系统将无功功率设定值转换计算为对应的并联注入电流值，并在控制中利用检测的电流作为反馈信号。并联变流器的无功功率控制模式和静止无功补偿器的功能类似。

（2）自动电压控制：设定值为电压值，并联变流器所注入的无功电流为自动调节，根据线路下垂控制原理，利用实际检测的端电压作为反馈信号，进行无功电流的注入。

3 仿真结果

为验证上述控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平台搭建了UPQC的仿真模型，在电网不平衡工况下进行仿真验证，主要仿真参数如表1所示。

表1 关键仿真参数

仿真设置在0～0.045 s的时间内电网电压保持三相平衡状态，0.045 s时电网A 相跌落至原幅值的70%，0.085 s时UPQC进行负序补偿，仿真结果如图3、图4所示。

图3 并联控制器输出电流各序分量波形图

图4 串联变流器输出电流各序分量波形图

图3为注入电流的各序分量的波形图，包括正序和负序分量。0.045 s时，电网发生了电压跌落故障，各序分量被有效分离出来。从图中可以看到，在发生故障以后，注入电网电流的正序分量有所下降，且伴随负序分量的产生。变压器的网侧D1为三角形接法，故而没有产生零序电流的回路。0.085 s时并联变流器开始发挥无功补偿功能，电网负序电流很快抑制到接近于零，验证了不平衡工况下电网UPQC并联侧变流器控制策略的有效性。

如图4所示，不平衡工况时串联侧输出电流包含明显的负序分量，会加剧系统的不平衡程度，而0.085 s后经过负序控制串联侧的负序电流很快得到抑制。该仿真充分验证了不平衡工况下UPQC串联侧变流器控制策略的有效性。

4 结语

本文研究了统一电能质量控制器在配电网潮流控制中的应用，在分析其拓扑结构和基本工作原理的基础上，进一步提出了串联和并联变流器各自的控制策略，最终通过仿真进行了验证。该研究为统一电能质量控制器的拓展应用提供了新思路。